[论文解读] Global quark polarization in non-central $A+A$ collisions

Jian-Hua Gao, Shou-Wan Chen+4 more|ArXiv.org|Oct 16, 2007

High-Energy Particle Collisions Research被引用 7

一句话总结

本文研究了在非对心A+A碰撞中由于局域纵向流体剪切引起的自旋-轨道耦合导致的全局夸克极化，使用微扰QCD与硬热圈重求和的胶子传播幅，超越小角度近似计算了夸克极化。在RHIC能量下，由于流体剪切较弱，半对心Au+Au碰撞中的净夸克极化很小，|Pq| < 0.04，当质心系能量匹配磁质量标度时，极化峰值达到~−0.24。

ABSTRACT

Partons produced in the early stage of non-central heavy-ion collisions can develop a longitudinal fluid shear because of unequal local number densities of participant target and projectile nucleons. Under such fluid shear, local parton pairs with non-vanishing impact parameter have finite local relative orbital angular momentum along the direction opposite to the reaction plane. Such finite relative orbital angular momentum among locally interacting quark pairs can lead to global quark polarization along the same direction due to spin-orbital coupling. Local longitudinal fluid shear is estimated within both Landau fireball and Bjorken scaling model of initial parton production. Quark polarization through quark-quark scatterings with the exchange of a thermal gluon is calculated beyond small-angle scattering approximation in a quark-gluon plasma. The polarization is shown to have a non-monotonic dependence on the local relative orbital angular momentum dictated by the interplay between electric and magnetic interaction. It peaks at a value of relative orbital angular momentum which scales with the magnetic mass of the exchanged gluons. With the estimated small longitudinal fluid shear in semi-peripheral $Au+Au$ collisions at the RHIC energy, the final quark polarization is found to be small $|P_q|&lt;0.04$ in the weak coupling limit. Possible behavior of the quark polarization in the strong coupling limit and implications on the experimental detection of such global quark polarization at RHIC and LHC are also discussed.

研究动机与目标

• 提供超越小角度散射近似的非对心重离子碰撞中全局夸克极化的更真实估计。
• 研究局域纵向流体剪切通过夸克-胶子等离子体中的自旋-轨道耦合产生夸克极化的机制。
• 考察热胶子介导的夸克-夸克散射中电相互作用与磁相互作用的相对贡献。
• 评估在RHIC和LHC通过超子极化或矢量介子自旋取向等可观测量实验探测全局夸克极化的可行性。
• 比较兰道火球模型与比约肯标度模型中初始部分子产生时的流体剪切估计及其导致的极化。

提出的方法

• 使用兰道火球模型，结合硬球和伍兹-萨克斯核几何结构，估算共动参考系中的局域纵向流体剪切。
• 在RHIC能量下，应用比约肯标度模型并结合HIJING蒙特卡罗生成器，估算快度分布中的横向剪切。
• 在局域共动参考系中使用硬热圈（HTL）重求和胶子传播幅，计算超越小角度近似的夸克-夸克散射。
• 通过一胶子交换中的自旋-轨道耦合计算夸克极化，包含电相互作用与磁相互作用分量。
• 评估净极化随相对轨道角动量和质心系能量的变化，识别出由于电项与磁项之间干涉导致的非单调依赖关系。
• 在弱耦合极限（αs ≈ 0.3）下比较RHIC能量下的结果，并估算向LHC能量（5.5 TeV）的标度，假设粒子多重数更高且流体剪切增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非对心A+A碰撞中，局域纵向流体剪切引起的全局夸克极化的大小和方向是什么？
• RQ2 与小角度近似相比，包含有限角度散射和HTL重求和胶子传播幅如何改变夸克极化的估计？
• RQ3 在夸克-夸克散射中，电相互作用与磁相互作用对净夸克极化的相对贡献是什么？
• RQ4 极化如何依赖于夸克对的局域相对轨道角动量和质心系能量？
• RQ5 在RHIC和LHC中，特别是在大快度区域，对全局夸克极化的实验探测有何启示？

主要发现

• 在RHIC能量下，半对心Au+Au碰撞中，由于弱耦合极限下纵向流体剪切较弱，全局夸克极化很小，|Pq| < 0.04。
• 夸克极化表现出对相对轨道角动量的非单调依赖，当质心系能量√s ≈ 4μm时达到峰值Pq ≈ −0.24，其中μm为交换胶子的磁质量。
• 在低能区，磁相互作用占主导，抵消电相互作用，从而减小净负极化，尤其在弱耦合区域更为显著。
• 在兰道火球模型中，流体剪切下夸克对的平均质心系能量估计为√s ≈ 0.17 GeV，而在比约肯模型中为√s ≈ 0.001 GeV，两者均低于极化峰值的能量标度。
• 在LHC能量（5.5 TeV）下，平均纵向流体剪切和质心系能量预计比在RHIC下大六倍，表明净夸克极化可能更大。
• 当局域轨道角动量为零时，极化消失，这与无剪切时自旋-轨道耦合不存在的预期一致。